Régulation des gaz respiratoires et équilibre acido-basique

Comment les animaux détectent et stabilisent l'oxygène, le dioxyde de carbone et le pH de leurs fluides corporels, en ajustant la ventilation et les échanges ioniques pour maintenir la chimie interne dans des limites strictes.

Definition

La régulation des gaz respiratoires est le contrôle homéostatique des pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone dans les fluides corporels par l'ajustement de la ventilation et de la perfusion, et l'équilibre acido-basique est le maintien du pH des fluides corporels dans des limites étroites par tamponnement et par la régulation respiratoire et excrétoire du dioxyde de carbone et du bicarbonate.

Scope

Ce sujet couvre la régulation des gaz sanguins et de l'état acido-basique : les chimiorécepteurs qui surveillent l'oxygène, le dioxyde de carbone et le pH ; le contrôle réflexe de la ventilation et, chez les animaux aquatiques, de la fonction branchiale ; le système tampon bicarbonate et sa description ; et la compensation des perturbations acido-basiques par des moyens respiratoires et rénaux ou branchiaux. Il traite des différences entre ces mécanismes de contrôle chez les animaux aériens et aquatiques. La couverture est comparative et mécanistique plutôt que clinique.

Core questions

• Comment les animaux détectent-ils l'oxygène, le dioxyde de carbone et le pH dans leurs fluides corporels ?
• Comment la ventilation est-elle ajustée pour maintenir les gaz sanguins dans des limites étroites ?
• Pourquoi le dioxyde de carbone est-il si central pour l'équilibre acido-basique ?
• En quoi les animaux aériens et aquatiques diffèrent-ils dans la régulation du pH ?

Key theories

Contrôle chimiorécepteur de la ventilation

Les chimiorécepteurs périphériques et centraux surveillent l'oxygène, le dioxyde de carbone et le pH et entraînent des changements réflexes de la respiration, de sorte que la ventilation augmente lorsque le dioxyde de carbone ou l'acidité augmente ou que l'oxygène diminue, stabilisant ainsi les gaz sanguins.

Tampon bicarbonate et interaction respiratoire-métabolique

Le système dioxyde de carbone–bicarbonate tamponne le pH des fluides corporels, et parce que le dioxyde de carbone est volatil, le pH peut être régulé rapidement par la ventilation et plus lentement par l'ajustement du bicarbonate via les reins ou les branchies.

Mechanisms

Les chimiorécepteurs détectent les déviations de l'oxygène, du dioxyde de carbone et du pH et informent les centres réflexes qui ajustent le rythme et la profondeur de la respiration, et chez les animaux aquatiques, le rythme de la ventilation branchiale. Étant donné que le dioxyde de carbone forme de l'acide carbonique, la modification de la ventilation déplace rapidement le pH des fluides corporels : l'hyperventilation abaisse le dioxyde de carbone et augmente le pH, l'hypoventilation fait l'inverse. Le système tampon bicarbonate, régi par la relation entre le pH, le dioxyde de carbone et le bicarbonate, absorbe les charges acides et basiques, tandis qu'un ajustement plus lent du bicarbonate par les reins chez les animaux aériens ou par échange ionique à travers les branchies chez les animaux aquatiques compense les perturbations soutenues. Étant donné que l'eau froide retient beaucoup de dioxyde de carbone, les animaux aquatiques ont un taux de dioxyde de carbone sanguin plus faible et dépendent davantage du bicarbonate et du transport ionique que de la ventilation pour le contrôle du pH.

Clinical relevance

La physiologie comparative de la régulation des gaz et de l'équilibre acido-basique clarifie les réponses à l'exercice, à l'altitude, à la plongée et à l'hypoxie environnementale, et encadre l'interprétation des mesures des gaz sanguins et du pH. Cette entrée est un matériel de référence éducatif et ne fournit pas de conseils médicaux.

History

Les travaux de Haldane sur la régulation de la respiration par le dioxyde de carbone et le traitement quantitatif du tampon bicarbonate par Henderson et Hasselbalch ont établi le contrôle des gaz sanguins et du pH, et la découverte des chimiorécepteurs artériels par Heymans a identifié les capteurs. La physiologie comparative a étendu ces idées aux stratégies contrastées des animaux aériens et aquatiques.

Key figures

• John Scott Haldane
• Lawrence Henderson
• Karl Hasselbalch
• Corneille Heymans

Seminal works

• westsd2012
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

Pourquoi la respiration contrôle-t-elle le pH sanguin si rapidement ?

Le dioxyde de carbone forme de l'acide dans le sang, de sorte que modifier la vitesse de la respiration augmente ou diminue rapidement le dioxyde de carbone et, par conséquent, modifie le pH en quelques secondes à quelques minutes.

Les poissons régulent-ils l'équilibre acido-basique de la même manière que les mammifères ?

Pas entièrement. Étant donné que l'eau élimine facilement le dioxyde de carbone, les poissons dépendent moins de la modification de la ventilation et davantage de l'échange d'ions acides et basiques à travers leurs branchies pour contrôler le pH.